干旱綠洲區(qū)土壤氮素累積及冬灌效應(yīng)分析

肖亞奇，楊鵬年，吳 彬，劉 婕，郭 濤

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

在氮素的不同形態(tài)中，硝態(tài)氮(NO-3-N)因?yàn)椴灰妆煌寥牢蕉蔀樗w中主要的氮素污染物[1]。不僅造成水體富營(yíng)養(yǎng)化等水環(huán)境問題，同時(shí)飲用水中過量的硝酸鹽將直接威脅著人體的健康。我國《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)采用地表水作為飲用水源時(shí)，硝態(tài)氮含量限定為10 mg/L，采用地下水作為水源時(shí)，則放寬到了20 mg/L。而世界衛(wèi)生組織(WHO)及美國家采用的標(biāo)準(zhǔn)分別是11.3和10 mg/L[2,3,4]。研究表明：不合理施肥尤其是過量施用氮肥是地下水硝酸鹽污染的主要原因[5]，導(dǎo)致農(nóng)田土壤硝態(tài)氮過量累積[6,7]，并在灌溉和降雨的條件下向下淋溶從而污染地下水。

冬灌是新疆干旱綠洲灌區(qū)在作物收獲后的一次非生長(zhǎng)季灌溉，不但可以淋洗鹽分，而且有利于春季保墑。冬灌一般在11月中下旬進(jìn)行，灌溉量在1 500～2 000 m3/hm2，從理論上講，冬灌使土壤中的硝態(tài)氮更易被淋洗至土壤深層而進(jìn)入地下水。這一方面造成土壤氮的淋溶損失，另一方面將使地下水受到嚴(yán)重污染[8]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于新疆巴音郭楞蒙古自治州北部﹣焉耆盆地，研究區(qū)為盆地內(nèi)綠洲區(qū)，地理坐標(biāo)：東經(jīng)85°54′58″～87°29′6″，北緯41°43′33″～42°26′17″，行政區(qū)主要包括焉耆縣、博湖縣、和靜縣及和碩縣(見圖1)。灌區(qū)內(nèi)主要是以源自天山山脈的開都河為主要灌溉水源，其余的則為一些較小的河流，地下水主要由上游的地表徑流補(bǔ)給形成。盆地內(nèi)灌溉引用的開都河年均徑流量約為12 億m3，剩余水量注入博斯騰湖內(nèi)作為下游農(nóng)業(yè)用水及維系湖區(qū)生態(tài)。該區(qū)干旱少雨、冬寒夏熱、光照充足、蒸發(fā)強(qiáng)烈等，具有明顯的干旱區(qū)綠洲氣候特征，多年平均氣溫為8.5 ℃，年均蒸發(fā)量1 876.7 mm，降雨多集中在夏季，降水量0.9(2月)～16.2(7月) mm。土壤顆粒由西北向東南逐漸變細(xì)，主要有砂礫石、中粗砂、中細(xì)砂、砂壤土及亞黏土等[9]。綠洲區(qū)內(nèi)以加工番茄和色素辣椒等經(jīng)濟(jì)作物為主，同時(shí)也種植小麥、玉米等糧食作物。

圖1 研究區(qū)地理位置及取樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Location map and sampling point distribution in the study area

1.2 試驗(yàn)方法

冬灌地的樣方選取了開都河上游和中游4塊土地，4塊不同種植類型取樣地的情況分別為：焉耆縣下五號(hào)渠鄉(xiāng)下五號(hào)渠村的番茄，土壤質(zhì)地主要為中壤土，采用的是地下水滴灌；和靜縣巴潤(rùn)哈爾莫頓鎮(zhèn)阿爾孜格村的辣椒土壤質(zhì)地主要為輕壤土，采用的是地下水滴灌；哈爾莫頓鎮(zhèn)哈爾莫頓村玉米及小麥，土壤質(zhì)地主要為砂壤土，采用的是漫灌。冬灌時(shí)間為2016年10月20日-11月10日，第一批取樣點(diǎn)的時(shí)間是冬灌之前(2016年10月2日-10月10日)，第二批取樣點(diǎn)的時(shí)間是冬灌1個(gè)月后(2016年11月15日-11月22日)，第三批取樣點(diǎn)的時(shí)間是灌后5個(gè)月(2017年3月23日-4月1日)。每塊取樣地中選取4～8個(gè)樣點(diǎn)，每個(gè)土壤取樣點(diǎn)均采用GPS定位，利用圓鑿鉆采集土樣，取樣深度為1 m，每10 cm采集一個(gè)樣，將同一土層各樣點(diǎn)的樣品混合均勻排氣后，裝入透明取樣袋中標(biāo)記密封并放入保溫箱中。同時(shí)調(diào)查111眼井，共取91個(gè)地下水樣。

在野外取樣的同時(shí)，對(duì)綠洲灌區(qū)不同種植作物的氮肥施用量開展了調(diào)查。經(jīng)調(diào)查，農(nóng)戶施用較多的是尿素、磷酸銨、磷酸二銨、銨磷鉀肥等復(fù)合肥，由于農(nóng)田種植類型、灌水量、農(nóng)戶成本投入等情況的不同，導(dǎo)致施肥量存在差異。將收集的數(shù)據(jù)不同肥料按照氮素有效成分含量計(jì)算折純量，結(jié)果顯示：番茄、辣椒、玉米及小麥氮肥折純施用量分別為1 107.75、567.30、697.05、339.60 kg/hm2。

采用T6(新世紀(jì))紫外可見分光光度計(jì)測(cè)定采集到的土樣、水樣中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的含量；土壤含水率用烘干法測(cè)定，電導(dǎo)率值則按1∶5水土比配制水溶液，使用雷磁DDS-307型電導(dǎo)儀測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 生育期末土壤剖面硝態(tài)氮、銨態(tài)氮分布特征

經(jīng)過生育期內(nèi)灌溉與施肥的過程后，不同土壤深度之間硝態(tài)氮與銨態(tài)氮的分布特征存在差異。表層(0～10 cm)硝態(tài)氮含量較高，達(dá)到113.13 mg/kg，且基本呈現(xiàn)隨土層深度增加逐漸降低的趨勢(shì)(圖2)。受土壤結(jié)構(gòu)、施肥及灌溉的影響，土壤硝態(tài)氮含量平均值介于19.78～42.21 mg/kg之間，由四分位數(shù)點(diǎn)得到，0～100 cm土層硝態(tài)氮含量低于60 mg/kg占總?cè)狱c(diǎn)的75%；低于30 mg/kg占總?cè)狱c(diǎn)的25%。最大值出現(xiàn)在40 cm土層，為115.61 mg/kg，最小值出現(xiàn)在90 cm土層，為6.03 mg/kg，分布差異較明顯。各土壤剖面硝態(tài)氮及銨態(tài)氮含量取自4種作物生育期末所有取樣點(diǎn)不同土層的值。

圖2 土壤剖面硝態(tài)氮含量分布特征Fig.2 The profile soil content nitrate nitrogen

不同土壤深度銨態(tài)氮平均含量分布較均勻(見圖3)，平均值為60 mg/kg左右。由四分位數(shù)點(diǎn)得到，各土壤剖面硝態(tài)氮含量低于85 mg/kg占總?cè)狱c(diǎn)的75%；低于40 mg/kg占總?cè)狱c(diǎn)的25%。最大值出現(xiàn)在90 cm土層，為136.26 mg/kg，最小值出現(xiàn)在10 cm土層，為1.62 mg/kg。

圖3 土壤剖面銨態(tài)氮含量分布特征Fig.3 The profile soil content ammonium nitrogen

2.2 不同種植類型農(nóng)田土壤剖面硝態(tài)氮分布及累積

氮肥的施用量提高了土壤剖面硝態(tài)氮的累積量。從表1可知，0～60 cm土壤硝態(tài)氮累積量辣椒地最低，為183.56 mg/kg；番茄地最高，為264.72 mg/kg，是小麥地(257.69 mg/kg)的1.03倍，是玉米地(196.06 mg/kg)1.35倍。不同農(nóng)田種植類型硝態(tài)氮累積量的大小關(guān)系表現(xiàn)為番茄>小麥>玉米>辣椒。

表1 冬灌前土壤硝態(tài)氮累積量分布特征Tab.1 The profile soil accumulation of nitrate nitrogen before winter irrigation

注：表中Ⅰ、Ⅱ分別代表0～60、60～100 cm土層硝態(tài)氮含量占0～100 cm土層硝態(tài)氮量的百分比；*為小麥地取樣點(diǎn)0～60 cm硝態(tài)氮含量。

灌水前0～60 cm土層硝態(tài)氮累積比都在60%以上，60～100 cm僅在40%以下，說明灌水前硝態(tài)氮主要在0～60 cm土層累積。辣椒地土壤硝態(tài)氮峰值含量出現(xiàn)在表層0～10 cm，峰值層含量為36.53 mg/kg，0～60 cm土層硝態(tài)氮含量占0～100 cm土層含量的65.6%；小麥地硝態(tài)氮平均含量最高，峰值層含量達(dá)到最高55.76 mg/kg(40～50 cm)，這是由于該層為含沙量較高的沙質(zhì)土層，硝態(tài)氮易于被淋洗到下層土壤，而鉆孔最多取至60 cm，60 cm以下為砂礫石；0～100 cm土層番茄地土壤硝態(tài)氮含量最高達(dá)388.14 mg/kg，比辣椒、玉米分別高27.9%、20.4%，硝態(tài)氮淋洗風(fēng)險(xiǎn)大。

由表1可看出，生育期末硝態(tài)氮主要在0～60 cm土層累積，土壤剖面中NO-3-N累積量越高，硝態(tài)氮含量的峰值越高，其峰值含量出現(xiàn)的位置越低，冬灌后硝態(tài)氮淋失風(fēng)險(xiǎn)也越大[10]。

2.3 冬灌后土壤剖面硝態(tài)氮含量變化和淋失

硝態(tài)氮和銨態(tài)氮是旱地土壤無機(jī)氮存在的主要形態(tài)[11]，灌溉對(duì)土壤中硝態(tài)氮的運(yùn)移及銨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化均具有重要的作用。

冬灌前后土壤中硝態(tài)氮含量隨土層深度增加表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。冬灌前硝態(tài)氮具有表層(10～30 cm)最高，中部(30～60 cm)次之和下部(60～100 cm)最低的遞減特征；冬灌后土壤剖面硝態(tài)氮基本呈現(xiàn)向下層遷移，明顯反映出灌溉的淋洗作用(見圖4)。

土壤剖面中硝態(tài)氮的淋失量即冬灌前后土壤NO-3-N累積量的差值。硝態(tài)氮的淋洗率可參照計(jì)算土壤鹽分淋洗率的計(jì)算方法[12]，即以灌前與灌后硝態(tài)氮累積量差值與灌前的比值，可分別計(jì)算出各層的淋洗效果，若結(jié)果為正則表明硝態(tài)氮受到淋洗并向深部運(yùn)移，反之則為硝態(tài)氮的累積。如表2所示，冬灌后0～60 cm土壤硝態(tài)氮淋失量分別為143.56、-57.01、45.99和56.47 mg/kg，辣椒地在灌水后累積現(xiàn)象明顯；60～100 cm各土層硝態(tài)氮淋洗效果明顯，淋洗率分別為48.5%、27.7%、42.5%，而在整個(gè)0～100 cm土層，番茄淋洗率達(dá)52.4%，淋洗效果最明顯。玉米淋洗率為30.4%，效果也較顯著，冬灌對(duì)整個(gè)土壤剖面均有不同程度的淋洗。

圖4 冬灌前后土壤硝態(tài)氮含量變化特征Fig.4 The trends of soil nitrate nitrogen before and after winter irrigation

深度/cm番茄淋失量/(mg·kg-1)淋洗率/%辣椒淋失量/(mg·kg-1)淋洗率/%玉米淋失量/(mg·kg-1)淋洗率/%小麥淋失量/(mg·kg-1)淋洗率/%0～60143．5654．2-57．00-31．146．9923．556．5021．960～10059．8148．526．6027．747．9742．5??0～100203．3752．4-30．40-10．993．9630．4??

同一農(nóng)田種植類型銨態(tài)氮在不同土層的分布差異不顯著，特別是經(jīng)濟(jì)作物西紅柿和辣椒[見圖5(a)和圖5(b)]。但不同農(nóng)田種植類型土壤銨態(tài)氮含量差異較大，這是由于不同地區(qū)土壤質(zhì)地不同，從而導(dǎo)致不同顆粒大小的土壤膠體吸附銨態(tài)氮的能力不一。冬灌后，各土層銨態(tài)氮含量基本呈上升趨勢(shì)，辣椒地在灌后50 cm處銨態(tài)氮平均含量高達(dá)136.40 mg/kg。初步分析這可能是由于灌水使土壤保持較高的水分，形成了厭氧環(huán)境，不利于硝化作用的進(jìn)行，土壤中有機(jī)氮礦化形成的銨態(tài)氮不能很快被轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，從而導(dǎo)致銨態(tài)氮在其土壤中積累[13]。

圖5 冬灌前后土壤銨態(tài)氮含量變化特征Fig.5 The trends of soil ammonium nitrogen before and after winter irrigation

2.4 冬灌前后土壤剖面含水率、電導(dǎo)率變化

冬灌前后土壤含水率的變化情況，見圖6。其中W1代表冬灌后30 d的值，W2表示冬灌后150 d的值。由圖6可知：不同農(nóng)田種植取樣地冬灌前曲線形態(tài)具有一定的相似性，即在50～60 cm處有一個(gè)峰值，而表層和深層值較低。經(jīng)過冬灌后，剖面各層含水率均有一定程度的增加。通過對(duì)比灌前、灌后30 d、灌后150 d可得，灌前0～100 cm土層含水率為11.1%～24.5%；灌后30 d該土層含水率為14.6%～28.1%，為灌前含水率的1.2～1.3倍；灌后150 d該土層含水率為15.6%～30.0%，為灌前含水率的1.2～1.4倍，且比灌后30 d各土層含水率有一定程度的增加。

由于不同定額灌水，會(huì)直接影響不同土層深度含水率，從而進(jìn)一步影響土壤鹽分的變化[14,15]。通過冬灌前后土壤剖面電導(dǎo)率對(duì)比分析(見圖7)，不同種植類型土壤含鹽量呈現(xiàn)不同的變化特點(diǎn)，灌溉后土壤各層電導(dǎo)率均有不同程度的降低。

從表3可以看出，灌水后番茄、辣椒、玉米在表層(0～10 cm)土壤呈現(xiàn)不同程度的脫鹽特征，灌后150 d后表層土層淋洗率分別為51.7%、67.1%、39.9%，脫鹽效果顯著；10 cm以下的區(qū)域有呈現(xiàn)出不同程度的積鹽特征，灌后30 d番茄地、辣椒地、玉米地在40～60 cm土層的平均淋洗率為17.0%、-25.5%、13.9%，辣椒地在該層呈現(xiàn)積鹽現(xiàn)象；70～100 cm深度的平均淋洗率為-10.6%、4.2%、18.7%，這是水分將鹽分淋洗至下層所致。

圖6 冬灌前后土壤含水量變化特征Fig.6 Characteristics of soil water content before and after winter irrigation

圖7 冬灌前后土壤電導(dǎo)率變化特征Fig.7 Characteristics of soil conductivity before and after winter irrigation

表3 灌后不同深度土壤淋洗率 %

注：淋洗率=(灌前土壤電導(dǎo)率-灌后土壤電導(dǎo)率)/灌前土壤電導(dǎo)率×100%。

通過冬灌試驗(yàn)對(duì)土壤水分及鹽分的影響分析，發(fā)現(xiàn)灌后150 d土壤含水率較灌后30 d有所提高，說明冬灌具有儲(chǔ)水效應(yīng)。對(duì)于土壤鹽分，2016-2017年冬季，全疆降雨量較常年偏多，焉耆盆地由于2月下旬氣溫回升快，積雪消融迅速，灌后150 d土壤電導(dǎo)率較灌后30 d電導(dǎo)率有所降低，表層土壤脫鹽顯著。同時(shí)對(duì)于灌前鹽分含量不高的土壤，冬灌洗鹽的效果并不顯著。

2.5 灌區(qū)內(nèi)地下水硝態(tài)氮含量分析

本研究依據(jù)地下水利用類型和地下水埋藏深度將其劃分為飲用水、農(nóng)灌水、手壓水和淺層地下水4類。此次在冬灌前后共調(diào)查分析91眼井。由調(diào)查結(jié)果(見表4)可知，在4種地下水中，農(nóng)灌水的平均硝態(tài)氮含量最低，平均僅有2.42 mg/L， 57個(gè)樣本中僅有4個(gè)超過10 mg/L；飲用水井的優(yōu)良率為62.5%，略低于農(nóng)灌水，平均值為3.19 mg/L；農(nóng)戶周邊手壓井平均含量高達(dá)4.63 mg/L，3眼中有1眼低于2.0 mg/L，優(yōu)良率33.3%，有2眼含量在5～10 mg/L范圍內(nèi)，達(dá)標(biāo)率為66.7%。盆地綠洲區(qū)淺層地下水硝態(tài)氮污染區(qū)域主要分布在農(nóng)田種植區(qū)，潛水硝態(tài)氮污染受農(nóng)業(yè)種植影響較大，主要源于農(nóng)田中氮素的淋洗。而淺層地下水埋深最淺，僅為3～6 m，硝態(tài)氮含量最高，7個(gè)樣本平均高達(dá)15.7 mg/L，最高值為28.73 mg/L，位于焉耆縣下五號(hào)渠村，超標(biāo)率達(dá)57.1%，嚴(yán)重超標(biāo)率達(dá)28.6%，說明該區(qū)域淺層飲用地下水已受到硝酸鹽污染。

表4 不同深度地下水硝態(tài)氮含量Tab.4 Nitrate nitrogen content of groundwater from SG, HW, IW and DW

注：0～2 mg/L為優(yōu)良；2～5 mg/L為良好；5～10 mg/L為達(dá)標(biāo)；10～20 mg/L為超標(biāo)；≥20 mg/L為嚴(yán)重超標(biāo)[16]。

3 討 論

冬灌具有一定的儲(chǔ)水降鹽與淋氮的效應(yīng)。冬灌后土壤增加的水量向下層滲漏，起到了淋洗鹽分和硝態(tài)氮的作用。因此，對(duì)于土壤黏性稍大的番茄地，其壓鹽増熵作用顯著，應(yīng)優(yōu)先考慮冬灌的方式進(jìn)行灌溉，張瀚等[14]在對(duì)新疆開孔河流域的研究中提出當(dāng)冬灌定額為3 600 m3/hm2時(shí)，具有顯著的保墑壓鹽的作用，可為返春后的棉花播種及出苗提供較好的水鹽條件，可達(dá)到減少春灌定額或免除春灌的目的，為免除春灌提供可能性；而對(duì)于灌前鹽分含量不高且沙性較強(qiáng)的土壤(辣椒、玉米等)，其保水性較差，楊鵬年等[12]提出對(duì)于該類非鹽漬或者輕度鹽漬土，可采用春灌或者干播濕出等方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)灌溉方式，是常規(guī)春灌定額的50%左右，不僅可緩解春灌爭(zhēng)水的矛盾，同時(shí)又可避免硝態(tài)氮的淋失，提高氮肥的利用率。

通過灌溉淋洗，作物生育期土壤中累積的大量氮素向深層土壤運(yùn)移并進(jìn)入地下水體，造成淺層地下水硝態(tài)氮濃度升高，中深層地下水污染加劇的風(fēng)險(xiǎn)。楊榮等[8]指出灌溉和施肥使土壤硝態(tài)氮在土體內(nèi)大量累積并隨冬灌淋失至土壤深層。

因此，從減少硝態(tài)氮淋溶的角度來看，應(yīng)優(yōu)化控制氮肥施用量，根據(jù)作物對(duì)肥料的需求量以及作物本身對(duì)氮的吸收量平衡施肥，吳大付等[17]提出：對(duì)于北方的高產(chǎn)地區(qū)來說，二熟制的糧食作物氮肥年施用量不宜超過400 kg/hm2，而蔬菜作物也不宜超過500 kg/hm2，產(chǎn)量水平較低的地區(qū)氮肥施用量則應(yīng)酌情減少；為達(dá)到人體健康對(duì)水質(zhì)的要求，按照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(飲用水質(zhì)量應(yīng)在Ⅲ類水質(zhì)以上)、《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，農(nóng)戶氮肥施用量應(yīng)分別控制在627.5 kg/hm2以下、377.5 kg/hm2以下[9]；同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)水肥管理措施，適時(shí)調(diào)整農(nóng)田種植類型，種植田閑作物吸收多余氮素等，從而有效控制地下水的污染[18]。

4 結(jié) 語

(1)灌溉方式與土壤質(zhì)地對(duì)硝態(tài)氮在土壤垂向的分布具有重要的決定作用。不同土壤深度之間硝態(tài)氮含量與分布特征存在差異，且呈現(xiàn)隨土層深度增加而逐漸降低的趨勢(shì)。土壤各層NO-3-N含量的關(guān)系主要表現(xiàn)為：生育期末土壤硝態(tài)氮主要在0～60 cm土層累積，不同農(nóng)田種植類型硝態(tài)氮在該層累積量的大小關(guān)系表現(xiàn)為番茄>小麥>玉米>辣椒。灌后0～60 cm土壤硝態(tài)氮淋失量分別為143.56、-57.01、45.99和56.47 mg/kg，辣椒地在灌水后硝態(tài)氮累積較明顯；60～100 cm各土層硝態(tài)氮淋洗效果明顯，淋洗率分別為48.5%、27.7%、42.5%，而在整個(gè)0～100 cm土層，番茄地土壤淋洗率達(dá)52.4%，易于硝態(tài)氮向深部運(yùn)移，冬灌對(duì)整個(gè)土壤剖面均有不同程度的淋洗。硝態(tài)氮淋失是該區(qū)氮素?fù)p失的途徑主要之一。

(2)不同土壤深度銨態(tài)氮平均含量分布較均勻，同一農(nóng)田種植類型銨態(tài)氮在不同土層的分布差異不顯著。冬灌后，0～100 cm各土層銨態(tài)氮含量基本呈上升趨勢(shì)。與NO-3-N比較，灌水對(duì)NH+4-N在不同土壤深度分布的影響不顯著，對(duì)土壤銨態(tài)氮運(yùn)移影響遠(yuǎn)小于硝態(tài)氮的影響[19]。

(3)冬灌150 d后0～100 cm土層含水率為15.6%～30.0%，為灌前含水率的1.2～1.4倍，且比灌后30 d各土層含水率(14.6%～28.1%)有一定程度的增加，由此說明冬灌具有儲(chǔ)水效應(yīng)。對(duì)于土壤鹽分，灌后150 d土壤電導(dǎo)率較灌后30 d電導(dǎo)率有所降低，灌后150 d后番茄、辣椒、玉米表層土層淋洗率分別為51.7%、67.1%、39.9%，脫鹽效果顯著；同時(shí)對(duì)于灌前鹽分含量不高的土壤，冬灌洗鹽的效果并不顯著。

(4)淺層地下水硝態(tài)氮含量最高，超標(biāo)率達(dá)57.1%，嚴(yán)重超標(biāo)率達(dá)28.6%，已普遍受到硝酸鹽污染；而位于較深層的飲用水、農(nóng)灌水、手壓井水，達(dá)標(biāo)率分別為87.5%、93.0%、66.7%，其地下水硝態(tài)氮總體含量雖低于淺層地下水，但也具有受潛在污染的風(fēng)險(xiǎn)。

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